У Науково-дослідному інституті "Миколаївська астрономічна обсерваторія» поряд з основною науковою діяльністю ведеться і науково-просвітницька робота. З метою популяризації астрономії кілька поколінь співробітників зберігали старі астрономічні інструменти, колекцію астрономічних годинників, старовинні книги, фотографії, картини, карти. Все це зібрання і становить фонд музею НДІ МАО. В даний час в музеї знаходиться понад 150 експонатів. Експозиція розміщується в Круглому залі Головної будівлі і двох астрономічних павільйонах.

У Круглому залі представлено ​​колекцію астрономічних годинників, яка містить ряд унікальних високоточних механічних годинників, виготовлених у 18-20 століттях відомими англійськими, голландськими, німецькими та вітчизняними майстрами. Механічний астрономічний годинник майже півтора століття використовувалися в процесі спостережень в обсерваторії. Велика увага при виготовленні годинників у 18-19 ст. приділялася художній стороні: корпуси годинників інкрустовані металом, прикрашені точеними металевими деталями, які різняться по виконанню та годинникові маятники. Доповненням до колекції годинників служать хронометри, астрономічний будильник, циферблат Фаворже.

А також в Круглому залі демонструється пасажний інструмент «Бамберг 6353» початку 20 століття, який використовували в роботі служби часу, і переносний вертикальний круг фірми Репсольда (D = 40mm, F = 500mm), виготовлений в 1868 році який був придбаний другим директором І.Є. Кортацці для визначення довгот і широт пунктів на узбережжі Чорного моря. У залі розміщена колекція астрономо-геодезичних і навігаційних приладів, які відносяться до морського періоду обсерваторії: секстант Negretti & Zambra, сонячний годинник московської фірми ЗЕТЕР', поліметрія Ламбрехт, морський компас і компас фірми Брауера (Санкт-Петербург), еталон метра Форте (около1830г.) і т.д.

Прикрашає музей портретна галерея видатних особистостей та директорів обсерваторії, подарована миколаївською художницею І.О. Мяло до 185-річної річниці обсерваторії. Колекція містить 12 портретів, серед них портрети засновника м. Миколаєва Г.А. Потьомкіна, засновника Миколаївської обсерваторії адмірала А. С. Грейга, перших трьох директорів Пулковської обсерваторії і т. д. До речі, автор портретів - внучата племінниця найстарішого механіка нашої обсерваторії І. І. Пономаренко.

У вітринах музею представлені деякі видатні друковані праці перших директорів МАО і миколаївських астрономів минулого, а також друковані видання обсерваторії останніх років. Фотостенди музею відображають важливі моменти наукової та практичної діяльності обсерваторії від заснування обсерваторії до кінця 20 століття: спостереження на інструментах і будівництво павільйонів, наукові праці служби часу та астрономів МАО в експедиціях на о.Шпіцберген і на Північному Кавказі. Окремий стенд присвячений аксіальному меридіанному колу, що отримав в 1999р. статус Національного надбання України.

У центрі залу встановлена ​​гранітна плита, що символізує Центр обсерваторії. На плиті зображено чотири промінна «троянда вітрів», орієнтована по меридіану (довгий промінь) і по першій вертикалі (короткий промінь). Зображення двох перпендикулярних променів представляє стилізований меридіанний інструмент - меридіанне коло і пасажний інструмент, які були першими телескопами Миколаївської обсерваторії. На плиті позначені історичні координати Миколаївської обсерваторії, визначені її першим директором К. Кнорре.

У двох павільйонах розміщені меридіанне коло Репсольда і вертикальне коло Репсольда, які були відремонтовані і передані до музею НДІ МАО.

Меридіанне коло Репсольда (D = 150mm, F = 2150mm) було замовлене у фірмі Репсольда (Гамбург) у 1834 році відомим астрономом В.Я. Струве для Пулковської обсерваторії. Більше ста років, починаючи з 1840 року, на ньому виконувалися регулярні спостереження. Інструмент сильно постраждав під час Великої Вітчизняної війни. У 1955 році він був перевезений до Миколаєва і після відновлення та реставрації приступив до спостережень. На інструменті кілька разів здійснювалася модернізація реєструвальних пристроїв. За більш ніж 40 років в МАО на ньому було отримано 9 різних каталогів положень зірок.

Вертикальне коло Репсольда (D = 108mm, F = 140mm) було замовлене в 1897 році у фірмі братів Репсольда в Гамбурзі директором Пулковської обсерваторії О.А. Баклундом. У 1899 році на ньому почалися регулярні спостереження в Одеському відділенні Пулковської обсерваторії. Інструмент був перевезений до Миколаєва до моменту відкриття Миколаївського відділення Пулковської обсерваторії в 1913 році. Спостереження на вертикальному колі проводилися до 1985 року. На ньому було отримано 5 абсолютних каталогів відміни зірок.